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L'atomo manda ll chilogrammo in pensione

The atom sends the kilogram to retirement

Napoli - 16 aprile 2019, ore 16

Sala Azzurra del Complesso di Monte Sant'Angelo, Università di Napoli Federico II, Via Cintia 19, Napoli

 Motivazione

Quattro secoli dopo Galileo Galilei, è un momento di svolta storico. L’Istituto Internazionale Pesi e Misure di Sèvres ha deciso la "messa in pensione" del Kg-massa campione custodito nella teca dell’Istituto. La scelta è recepita a livello mondiale ed, in particolare, dall’istituto italiano INRIM (Istituto Nazionale di Ricerca in Metrologia). La sua applicazione parte a decorrere dal 20 maggio 2019.

Le costanti fondamentali della meccanica quantistica e la teoria della relatività di Einstein consentono di ridefinire il Kilogrammo come unità di misura senza artefatti materiali come l'unità campione. Sensori quantistici misurano la forza peso con precisione inimmaginabile finora, con ricadute non solo per la ricerca, ma anche per l’industria. La riforma é di carattere più generale e prevede anche il ricalcolo della costante di Boltzmann kB e del Numero di Avogadro NA.

 Sintesi

Ernesta De Masi illustrerà il cammino che ha condotto alla definizione del Sistema Internazionale di Unità di Misura: un lungo cammino iniziato con l’Illuminismo e proseguito con l’introduzione del sistema metrico decimale al tempo della Rivoluzione Francese. L'uso di differenti unità di misura era certamente un ostacolo per gli scambi commerciali e lo svilippo tecnologico. Nel '700 il problema fu avvertito in tutta la sua rilevanza anche dagli scienziati che avevano la necessità di confrontare i risultati ottenuti nel proprio lavoro con quelli di altri ricercatori. L'intervento delineerà un breve excursus della storia della definizione delle Unità di Misura di un Sistema Internazionale dalla sua creazione fino all'attualità.

Livio Gianfrani illustrerà come nei vari campi della fisica esistano grandezze - le cosiddette “costanti fondamentali” – che in natura hanno un significato universale, indipendentemente dal luogo e dall’istante in cui avvengono i fenomeni. Nella teoria della gravitazione di Newton appare la costante di gravitazione universale G. La costanza della velocità della luce (c) ha il ruolo chiave nella teoria della relatività. La costante di Boltzmann (kB) è fondamentale nella meccanica statistica, su cui a livello molecolare è basata la termodinamica. La costante di Planck (h) domina la meccanica quantistica, che regola i fenomeni a livello microscopico.

La determinazione accurata delle costanti fondamentali richiede apparati di misura estremamente sofisticati e spesso comporta la verifica sperimentale di modelli e teorie fisiche con livelli di precisione molto spinti. In particolare, effetti di quantizzazione macroscopica in semi-conduttori e super-conduttori permettono di determinare la costante di Planck e la carica dell'elettrone con precisione sbalorditiva.

Le costanti fondamentali della fisica sono alla base del nuovo Sistema Internazionale di Unità di Misura, il linguaggio metrologico condiviso che assicura una base comune per la scienza, l’industria ed il commercio. Dopo una concertazione mondiale di anni, La ventiseiesima Conferenza Generale dei Pesi e delle Misure tenuta a Versailles dal 13 al 16 novembre 2018 ha ridefinito il Kilogrammo e altre unità di misura sulla base non di artefatti materiali (le cosiddette “unità di misura campione”) ma delle costanti fondamentali della fisica. In particolare, il Kilogrammo campione conservato all’Istituto Internazionale Pesi e Misure di Sèvres cessa di avere rilevanza pratica e assume il ruolo di cimelio storico. Molteplici sono le applicazioni nei campi più disparati, che includono la geofisica, la fisica spaziale, le telecomunicazioni.

Arturo Tagliacozzo si soffermerà in particolare sulla costante di Planck della meccanica quantistica e sul suo ruolo nella definizione del nuovo sistema metrologico. Nella meccanica classica i fenomeni avvengono in modo continuo e il risultato di una misura può essere rappresentato da un continuo di valori. Nella meccanica quantistica i fenomeni avvengono per “salti”, la cui grandezza è appunto determinata dalla costante di Planck. Ne deriva che anche il risultato di una misura appartiene ad un insieme di valori non “continui” ma "discreti". Questo garantisce una precisione senza pari. Per fare un parallelo, l’insieme dei numeri interi è discreto, per cui quando per esempio diciamo 1 è precisamente 1 e non può neanche avvicinarsi a 2. Maggiori dettagli sono forniti nella nota data tra gli approfondimenti.

Guglielmo Tino, uno dei primi ad aver intrapreso la strada della misura della gravità a livello atomico, spiegherà infine come nella pratica il Kilogrammo può essere definito con precisione finora impensata grazie a sperimentazione con atomi “ultra-freddi”, cioè nei limiti del possibile privi di moto di agitazione termica. Alcuni degli esperimenti sulla gravità eseguiti da Galileo, o da lui immaginati come esperimenti concettuali, sono ripetuti con sistemi avanzatissimi basati su nuvole di atomi portati a temperature vicine allo zero assoluto utilizzando la luce laser. Nuovi sensori quantistici basati sulla doppia natura, onda e corpuscolo, degli atomi permettono di misurare la gravità con estrema precisione e di mettere anche alla prova il principio di equivalenza tra massa inerziale e massa gravitazionale che è alla base della teoria della relatività cosiddetta generale di Einstein. Orologi atomici ottici, che usano come pendolo l'oscillazione del campo elettromagnetico della luce, misurano il passare del tempo con precisioni inimmaginabili fino a qualche anno fa e permettono di rivelare in laboratorio l'effetto della gravità sul tempo.

 Per approfondire e prepararsi alla discussione

Guglielmo Tino: Esperimenti sulla gravità: da Galileo Galilei ai sensori quantistici con atomi ultrafreddi

Arturo Tagliacozzo: La costante di Planck per il nuovo sistema metrologico

Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica (INRiM): Le unità di misura

ANSA - Canale Scienza e Tecnica: Così saranno le "nuove" unità di misura - video